フィン

フィンは、より大きな物体または構造物に取り付けられた薄い部品または付属物です。^[1]フィンは通常、揚力や推力を生み出すフォイルとして機能したり、水、空気、またはその他の流体中を移動するときに動きを操縦または安定させる機能を提供します。フィンは、熱伝達の目的で表面積を増やすために、または単に装飾として使用されます。 ^{[2] [3]}

鰭は最初、移動手段として魚類に進化した。魚の鰭は推進力を生み出し、その後の動きを制御するために使われる。魚類やクジラ類などの他の水生動物は、胸鰭と尾鰭を使って積極的に推進し、方向転換する。泳ぐときには、背鰭や尻鰭などの他の鰭を使って安定性を確保し、操縦性を向上させる。^{[4] [5]}

鯨類、魚竜、メトリオリンクス、モササウルス、プレシオサウルスの尾にあるひれは尾ひれと呼ばれます。

フォイル状のひれは動かすと推力を発生し、ひれの揚力によって水や空気が動き、ひれを反対方向に押します。水生動物は、ひれを水中で前後に動かすことで大きな推力を得ます。多くの場合、尾びれが使われますが、一部の水生動物は胸びれから推力を生み出します。^[4]ひれは、空気中や水中で回転すると推力も発生します。タービンやプロペラ（ファンやポンプも含まれる場合があります）は、フォイル、翼、アーム、ブレードとも呼ばれる回転するひれを多数使用します。プロペラは、ひれを使用してトルク力を横方向の推力に変換し、航空機や船舶を推進します。^[6]タービンは逆に、ブレードの揚力を使用して、移動するガスや水からトルクと電力を生成します。^[7]

キャビテーションは高出力の用途では問題となる可能性があり、プロペラやタービンの損傷、騒音や出力低下を引き起こす。^[8]キャビテーションは、負圧によって液体内に気泡（空洞）が形成され、それが急激に崩壊することで発生する。重大な損傷や摩耗を引き起こす可能性がある。^[8]キャビテーションによる損傷は、イルカやマグロなど力強く泳ぐ海洋動物の尾びれにも起こる可能性がある。キャビテーションは、周囲の水圧が比較的低い海面近くで発生する可能性がより高い。イルカは、より速く泳ぐ力があっても、尾に付いたキャビテーションの気泡が崩壊すると痛みが大きすぎるため、スピードを制限しなければならない場合がある。^[9]キャビテーションはマグロも減速させるが、理由は異なる。イルカとは異なり、これらの魚は神経終末のない骨状のひれを持っているため、気泡を感じない。それでも、キャビテーションの気泡がひれの周りに蒸気膜を作り、速度を制限するため、マグロはより速く泳ぐことができない。マグロにはキャビテーションによる損傷と一致する病変が見つかっている。^[9]

サバ科魚類（マグロ、サバ、カツオ）は、特に泳ぎが上手です。体の後ろの縁には、鰭条のない、引き込みできない小さな鰭が一列に並んでいます。この鰭条は小鰭と呼ばれています。この小鰭の機能については、多くの憶測が飛び交っています。2000年と2001年にナウエンとローダーが行った研究では、「小鰭は定常泳ぎ中に局所的な流れに流体力学的影響を及ぼす」ことと、「最も後方の鰭条は、発達中の尾の渦に流れを向けるように向いており、泳ぐサバの尾によって生み出される推力を増大させる可能性がある」ことが示されています。^{[10] [11] [12]}

魚は複数のひれを使用するため、特定のひれが他のひれと流体力学的相互作用を起こす可能性があります。特に、尾びれのすぐ上流にあるひれは、尾びれの流体力学に直接影響を与える可能性のある近接ひれである可能性があります。2011年、体積画像技術を使用した研究者は、「自由に泳ぐ魚によって生成される航跡構造の初めての瞬間的な3次元ビュー」を生成することができました。彼らは、「連続的な尾の拍動により、一連の渦輪が形成される」こと、「背びれと臀びれの航跡は、ほぼ次の尾の拍動の時間枠内で、尾びれの航跡に急速に引き込まれる」ことを発見しました。^[13]

一旦動きが確立されると、他のフィンを使って動き自体を制御することができます。^{[4] [16] [17]}ボートはフィンのような舵で方向（ヨー）を制御し、スタビライザーフィンとキールフィンでロールを制御します。^[16]飛行機は、翼と尾びれの形状を変える小さな特殊なフィンで同様の結果を達成します。^[17]

安定フィンは矢や一部のダーツの羽根として使用され、^[22]一部の爆弾、ミサイル、ロケット、自走魚雷の後部にも使用されています。^{[23] [24]} これらは通常平面で小さな翼のような形をしていますが、グリッドフィンが使用されることもあります。^{[25]静止フィンは}GOCE という衛星にも使用されています。

エンジニアリングフィンは、ヒートシンクやフィンラジエーターの温度を調節するための熱伝達フィンとしても使用されます。^{[26] [27]}

生物学では、鰭は性的装飾として適応的な意味を持つことがある。求愛中、メスのシクリッド、ペルビカクロミス・タエニアトゥスは、大きくて目を引く紫色の腹鰭を見せる。「研究者たちは、オスは明らかに大きな腹鰭を持つメスを好み、メスの魚では腹鰭が他の鰭よりも不均衡に成長することを発見した。」^{[31] [32]}

人間の足に魚の尾びれのような水泳用のフィンを付けることで、水泳選手や水中ダイバーのキックに推進力と効率性が加わります。 ^{[35] [36]} サーフボードのフィンはサーファーにボードを操作しコントロールする手段を提供します。現代のサーフボードにはセンターフィンと2つの湾曲したサイドフィンが付いていることが多いです。^[37]

サンゴ礁に生息する魚の体は、外洋に生息する魚の体とは形が異なっていることが多い。外洋に生息する魚は、通常、スピードを重視した体型をしており、水中を移動する際の摩擦を最小限に抑えるため、魚雷のような流線型になっている。サンゴ礁に生息する魚は、サンゴ礁の比較的狭い空間と複雑な水中地形の中で活動する。このため、直線速度よりも機動性が重要であり、サンゴ礁に生息する魚は、素早く動き回ったり方向転換したりする能力を最適化する体を発達させてきた。サンゴ礁の割れ目に逃げ込んだり、サンゴの頭の周りで隠れんぼをしたりして、捕食者の裏をかく。^[38]

チョウチョウウオ、スズメダイ、エンゼルフィッシュなど多くのサンゴ礁に生息する魚類の胸鰭と腹鰭は、ブレーキとして機能し、複雑な操縦を可能にするように進化している。^[39]チョウチョウウオ、スズメダイ、エンゼルフィッシュなど多くのサンゴ礁に生息する魚類の体は、パンケーキのように深く横方向に圧縮され、岩の割れ目に収まるように進化している。腹鰭と胸鰭は異なる設計になっており、平らな体と連携して操縦性を最適化する。^[38]フグ、カワハギ、トランクフィッシュなど一部の魚類は、泳ぐのに胸鰭に頼り、尾鰭をほとんど使用しない。^[39]

解剖学者カール・ゲーゲンバウアーが提唱した古い説があるが、科学の教科書ではしばしば無視されてきた。「鰭と（後の）四肢は絶滅した脊椎動物の鰓から進化した」という説である。化石記録の欠落により、決定的な結論は出せなかった。2009年、シカゴ大学の研究者らは、「鰓、鰭、四肢の遺伝的構造は同じである」こと、また「動物の体から離れたあらゆる付属肢の骨格は、サメの鰓の形成にまで遡る発達遺伝プログラムによってパターン化されている可能性が高い」という証拠を発見した。^{[45] [46] [47]}最近の研究では、鰓弓と対鰭は連続的に相同であり、鰭は鰓組織から進化した可能性があるという考えが支持されている。^[48]

魚類はすべての哺乳類、爬虫類、鳥類、両生類の祖先である。^[49]特に、陸生四肢動物（四足動物）は魚類から進化し、4億年前に初めて陸に進出した。彼らは一対の胸鰭と腹鰭を使って移動した。胸鰭は前脚（人間の場合は腕）に、腹鰭は後脚に発達した。^[50]四肢動物の歩行肢を構成する遺伝子機構の多くは、魚類の遊泳鰭にすでに存在している。^{[51] [52]}

2011年、オーストラリアのモナッシュ大学の研究者らは、原始的だがまだ生きている肺魚を使って「四肢動物の荷重を支える後肢がどのように進化したかを調べるために、腹鰭の筋肉の進化を追跡した。」^{[53] [54]}シカゴ大学でのさらなる研究では、底を歩く肺魚がすでに陸生四肢動物の歩行の特徴を進化させていたことがわかった。^{[55] [56]}

収斂進化の典型的な例として、翼竜、鳥類、コウモリの胸肢はそれぞれ独立した経路をたどって飛行翼へと進化した。飛行翼においても歩行脚との類似点が多く、胸鰭の遺伝的設計図の中核的な側面は保持されている。^{[57] [58]}

約2億年前、最初の哺乳類が出現した。これらの哺乳類の一団は約5200万年前に海へ戻り始め、循環が完成した。これがクジラ目動物（クジラ、イルカ、ネズミイルカ）である。最近のDNA分析によると、クジラ目動物は偶蹄目動物の中から進化し、カバと共通の祖先を持っていることが示唆されている。^{[59] [60]} 約2300万年前、クマのような陸生哺乳類の別の一団が海へ戻り始めた。これがアザラシである。^[61]クジラ目動物とアザラシの歩行肢となったものは、逆の収斂進化の形で独立してさらに進化し、新しい形態の遊泳用ヒレに戻った。前肢はひれになり、後肢は2つのヒレで終わる尾になり、クジラ目動物の場合は尾ひれと呼ばれる。 ^[62]魚の尾は通常垂直で左右に動きます。クジラ目の尾ひれは水平で上下に動きます。これはクジラ目の背骨が他の哺乳類と同じように曲がるためです。^{[63] [64]}

魚竜はイルカに似た古代の爬虫類です。約2億4500万年前に初めて出現し、約9000万年前に絶滅しました。

「陸生爬虫類の祖先を持つこの海生爬虫類は魚類に非常に強く収斂したため、背びれと尾が適切な場所に、適切な水文学的デザインで進化した。これらの構造は、何もないところから進化したため、さらに注目に値する。祖先の陸生爬虫類には、その前身となる背中のこぶや尾の刃がなかったのだ。」^[65]

生物学者のスティーブン・ジェイ・グールドは、魚竜が収斂進化の最も好きな例であると述べた。^[66]

外部ビデオ
チャーリー・ザ・ナマズ – CIA ビデオ
アクアペンギン –フェスト、YouTube
AquaRay –フェスト、YouTube
アクアジェリー –フェスト、YouTube
AiraCuda –フェスト、YouTube

水生動物の推進力としてひれを使うと、驚くほど効果的である。魚の中には、90% を超える推進効率を達成できるものもあると計算されている。 ^[4]魚は、ボートや潜水艦よりもはるかに効率的に加速し、機動することができ、水の乱れや騒音も少ない。このことから、水生動物の移動を模倣しようとする水中ロボットのバイオミメティクス研究が行われている。 ^[67]一例として、フィールドロボティクス研究所がマグロの運動を分析し、数学的にモデル化するために作ったロボット ツナがある。^[68] 2005 年、シーライフ ロンドン水族館は、エセックス大学のコンピューター サイエンス学部が作った 3 匹のロボット魚を展示した。この魚は自律的に動作し、本物の魚のように泳ぎ回って障害物を避けるように設計されていた。製作者は、「マグロのスピード、カワカマスの加速、ウナギの航行能力」を組み合わせようとしていると主張した。^{[69] [70] [71]}

ドイツのフェスト社が開発したアクアペンギンは、ペンギンの流線型の形状と前ひれによる推​​進力を模倣している。^{[72] [73]}フェスト社はまた、マンタ、クラゲ、バラクーダの移動をそれぞれ模倣した アクアレイ^[74]、アクアジェリー^[75]、エアクーダ^[76]も開発している。

2004年、MITのヒュー・ヘアは、カエルの足から筋肉をロボットに外科的に移植し、筋肉繊維に電気を流してロボットを泳がせることで、生きたアクチュエーターを備えたバイオメカトロニクスロボット魚のプロトタイプを作成した。^{[77] [78]}

ロボット魚は、魚のデザインの一部を他の部分から切り離して調査したり、柔軟性や方向などの単一のパラメータの変動を調べたりできるなど、研究上の利点がある。研究者は、生きた魚よりも簡単に力を直接測定できる。「ロボットデバイスは、運動面の位置を正確に知ることができるため、3次元の運動学的研究や相関流体力学的分析も容易にする。また、自然な動きの個々の要素（羽ばたく付属肢のアウトストロークとインストロークなど）を個別にプログラムすることができるが、これは生きた動物を扱う場合には実現が難しいことである。」^[79]

• 水中移動
• ひれとひれ足の動き
• 魚の移動
• ロボットの移動
• ロボツナ
• 帆（潜水艦）
• サーフボードのフィン

外部ビデオ
港湾の汚染を監視するロボット魚YouTube
ロボット魚YouTube
ロボットフィッシュYouTube
ロボットサメYouTube
サーフボードのフィンの進化 – YouTube

• 地球上の魚類における運動。
• 計算流体力学のチュートリアル。ロボット魚に関する参考資料を含む、多数の例と画像。
• ブリティッシュコロンビア大学の魚皮研究。
• フィンチューンされたデザインThe Economist、2008 年 11 月 19 日。